Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ Chế tạo máy và các ngành kỹ thuật cơ khí, đồ gá gia công cắt gọt đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc bảo đảm độ chính xác vị trí tương quan và nâng cao năng suất gia công. Tuy nhiên, thực tế giảng dạy và học tập cho thấy sinh viên thường gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận và hiểu sâu về kết cấu đồ gá chuyên dùng. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc thiếu các phương tiện trực quan và mô hình thực tế; đồng thời, các tài liệu tham khảo truyền thống như tập bản vẽ Atlat đồ gá hay giáo trình hiện hành đa phần chỉ dừng lại ở sơ đồ nguyên lý hoặc thiếu các hình chiếu kết cấu chi tiết, gây trở ngại cho việc hình dung và chế tạo thực tế.

Nhằm khắc phục tình trạng trên và tạo nguồn học liệu trực quan cho bộ môn, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo đồ gá chuyên dùng cho chi tiết gối đỡ" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu kết cấu chi tiết gia công, xác định dạng sản xuất và lựa chọn phương pháp chế tạo phôi phù hợp.
  2. Thiết lập tiến trình công nghệ gia công chi tiết gối đỡ theo hai phương án: trên hệ thống máy công cụ truyền thống (máy vạn năng kết hợp máy tổ hợp) và trên máy điều khiển số (máy phay CNC 3 trục).
  3. Thiết kế chi tiết các nguyên công công nghệ, xác định sơ đồ định vị - kẹp chặt, lựa chọn máy, dao gọt, tính toán chế độ cắt và thời gian gia công định mức ($T_0, T_{tc}$).
  4. Thiết kế kết cấu các bộ đồ gá chuyên dùng phục vụ các nguyên công trên máy vạn năng và máy CNC; tính toán lực kẹp cần thiết chống xoay và chống trượt.
  5. Chế tạo thực tế 02 bộ đồ gá chuyên dùng bằng vật liệu nhẹ (nhôm) phục vụ trực quan công tác giảng dạy môn học Công nghệ chế tạo máy và Đồ án công nghệ chế tạo máy.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chi tiết gối đỡ – một chi tiết điển hình thuộc nhóm chi tiết dạng hộp trong cơ khí chế tạo máy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tính toán thiết kế quy trình công nghệ cho quy mô sản xuất hàng khối và thiết kế, gia công chế tạo mô hình đồ gá phục vụ đào tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế công nghệ

Nghiên cứu áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết công nghệ chế tạo máy, lý thuyết định vị 6 bậc tự do, lý thuyết biến dạng và lực cắt trong gia công cắt gọt kim loại, cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành:

  • Khung tiêu chuẩn và sổ tay tra cứu: Áp dụng hệ thống cấp chính xác tiêu chuẩn (TCVN / ISO), xác định cấp chính xác kích thước IT7, IT15, IT16; độ nhám bề mặt theo chỉ tiêu $Ra$ và $Rz$; tra cứu thông số chế độ cắt và kết cấu dụng cụ từ Sổ tay Công nghệ chế tạo máy và Sổ tay thiết kế đồ gá.
  • Phương pháp tính toán công nghệ: Phương pháp giải tích kết hợp tra bảng định mức để xác định lượng dư gia công, tốc độ cắt ($v$), lượng chạy dao ($s, S_z, S_{ph}$), chiều sâu cắt ($t$), công suất cắt ($N_c$) và định mức thời gian từng chiếc ($T_{tc} = T_0 + T_p + T_{pv} + T_{tn} = T_0 + 26%T_0$).
  • Phương pháp phân tích lực và cơ cấu định vị - kẹp chặt: Ứng dụng nguyên lý 6 điểm định vị tuyệt đối để hạn chế các bậc tự do phù hợp với từng bề mặt chuẩn; thiết lập phương trình cân bằng lực và mô men cắt để xác định lực kẹp danh nghĩa, có xét đến hệ số an toàn $K$.
  • Ứng dụng công cụ kỹ thuật và nguồn dữ liệu: Ứng dụng phần mềm SolidWorks 2015 để thiết kế mô hình 3D, phân tích thể tích, xác định khối lượng chi tiết phục vụ tính sản lượng; dữ liệu thông số kỹ thuật được trích xuất trực tiếp từ hồ sơ kỹ thuật của các dòng máy công cụ thực tế ($6940BM\Phi2$, $6H12$, $2A135$, $2A55$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu chi tiết gia công

Chương 1 tập trung khảo sát toàn diện các đặc tính hình học, điều kiện làm việc, tính công nghệ và phương pháp tạo phôi cho chi tiết gối đỡ:

  • Phân tích kết cấu và yêu cầu kỹ thuật: Chi tiết thuộc dạng hộp, làm nhiệm vụ đỡ trục và dẫn hướng chuyển động quay. Bề mặt đáy (mặt I) và hệ thống lỗ trụ (lỗ IV $\varnothing20$, lỗ VI $\varnothing50$) đóng vai trò bề mặt làm việc chính. Chi tiết đạt cấp chính xác chung IT7 với độ nhám bề mặt gia công tinh $Ra = 1,25,\mu\text{m}$.
  • Bảng dung sai vị trí tương quan then chốt của chi tiết:
Vị trí tương quan cần đảm bảo Giới hạn dung sai cho phép
Độ không song song giữa mặt I và tâm lỗ VI $\le 0,025\text{ mm}$
Độ không vuông góc giữa tâm lỗ IV với tâm lỗ VI $\le 0,025\text{ mm}$
Độ không song song giữa mặt I và tâm lỗ IV $\le 0,04\text{ mm}$
Độ không song song giữa đường tâm 2 lỗ IV $\le 0,03\text{ mm}$
Độ không đối xứng giữa 2 lỗ IV $\le 0,03\text{ mm}$
  • Xác định dạng sản xuất: Sản lượng thực tế hàng năm được xác định theo công thức: $$N = N_1 \cdot \left(1 + \frac{\alpha + \beta}{100}\right)$$ Trong đó: dự trữ $\beta = 5% \div 7%$, phế phẩm $\alpha = 3% \div 6%$, kết hợp khối lượng chi tiết tính toán trên phần mềm SolidWorks 2015 xác định sản lượng $N = 80.064\text{ chiếc/năm}$. Kết quả tra cứu quy định chi tiết thuộc dạng sản xuất hàng khối.
  • Phương pháp chế tạo phôi: Phôi được chế tạo bằng phương pháp đúc trong khuôn cát mẫu gỗ, cấp chính xác đúc cấp 2, kích thước phôi đạt cấp chính xác IT15 $\div$ IT16, độ nhám bề mặt phôi thô $Rz = 80,\mu\text{m}$. Lượng dư gia công cơ đúc: mặt đáy $5\text{ mm}$, mặt trụ ngoài $4\text{ mm}$, các mặt lỗ trong $3\text{ mm}$.
       [PHƯƠNG ÁN MÁY VẠN NĂNG]                      [PHƯƠNG ÁN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC]
       - 08 nguyên công phân tán                     - 02 nguyên công tập trung
       - NC1: Chuẩn tinh thống nhất                  - NC1: Phay mặt I, khoan/doa 4 lỗ II
       - NC2 -> NC8: Gia công từng mặt               - NC2: Gia công 12 bước các mặt còn lại

Chương 2: Thiết kế lập trình tự gia công

Tác giả so sánh hai phương án phân chia tiến trình công nghệ gia công trên máy cơ khí truyền thống và xây dựng quy trình trên máy điều khiển số:

  • Phương án I (Máy vạn năng kết hợp máy tổ hợp hai trục - Phương án tối ưu): Gồm 8 nguyên công.
    • Nguyên công I: Phay mặt I và khoan doa 4 lỗ II (sử dụng 2 mặt trụ ngoài III và V làm chuẩn thô để định vị, bảo đảm tính đối xứng và tạo chuẩn tinh thống nhất cho toàn bộ quá trình gia công tiếp theo).
    • Nguyên công II: Phay mặt IX.
    • Nguyên công III: Phay 4 lỗ bậc II.
    • Nguyên công IV: Phay mặt trụ III và VII.
    • Nguyên công V: Khoan doa 2 lỗ IV.
    • Nguyên công VI: Phay mặt trụ V.
    • Nguyên công VII: Phay mặt trụ VIII.
    • Nguyên công VIII: Khoét doa lỗ VI.
  • Phương án II (Máy vạn năng thuần túy): Gồm 9 nguyên công riêng rẽ. Phương án này phải đến nguyên công thứ 3 mới hoàn thành bề mặt làm chuẩn tinh thống nhất, làm gia tăng sai số tích lũy gá đặt.
  • Tiến trình gia công trên máy điều khiển số (CNC 3 trục): Tận dụng khả năng gia công nhiều trục để tập trung nguyên công cao độ:
    • Nguyên công 1: Phay thô/tinh mặt I, khoan và doa 4 lỗ II (4 bước công nghệ).
    • Nguyên công 2: Gia công toàn bộ các bề mặt còn lại trên cùng một lần gá đặt (12 bước công nghệ, bao gồm: phay thô/tinh mặt trụ III, khoan/doa lỗ IV, phay thô/tinh mặt V, móc/doa lỗ VI, phay thô/tinh mặt VII, phay thô/tinh mặt VIII).

Chương 3: Thiết kế nguyên công

Chương này trình bày chi tiết sơ đồ gá đặt, chọn thiết bị, dao cụ, tính toán chế độ cắt và thời gian gia công định mức cho từng nguyên công công nghệ trên máy vạn năng:

Nguyên công Bề mặt gia công Thiết bị lựa chọn Dao cụ sử dụng Chiều sâu cắt $t$ Vận tốc cắt $V$ Vòng quay máy $n_m$ Thời gian $T_{tc}$
NC 1 Phay mặt I, khoan doa 4 lỗ II Máy liên hợp $6940BM\Phi2$ ($4,5\text{ kW}$) Phay mặt đầu $D=150$, Khoan $\varnothing12.8$, Doa $\varnothing13$ $0,1 \div 6,4\text{ mm}$ $19 \div 110\text{ m/ph}$ $150 \div 1180\text{ v/p}$ $1,245\text{ phút}$
NC 2 Phay mặt phẳng IX Máy phay đứng $6H12$ ($7\text{ kW}$) Dao phay mặt đầu BK6 $D=75\text{ mm}$, $Z=10$ $0,5 \div 2,5\text{ mm}$ $71 \div 112\text{ m/ph}$ $300 \div 475\text{ v/p}$ $0,785\text{ phút}$
NC 3 Phay 4 lỗ bậc II Máy phay đứng $6H12$ Dao phay ngón thép gió $3,0\text{ mm}$ $27\text{ m/ph}$ $400\text{ v/p}$ $0,05\text{ phút}$
NC 4 Phay mặt trụ III và VII Máy phay đứng $6H12$ Dao phay mặt đầu $D=75\text{ mm}$, $Z=10$ $0,5 \div 3,5\text{ mm}$ $70 \div 111\text{ m/ph}$ $300 \div 475\text{ v/p}$ $0,46\text{ phút}$
NC 5 Khoan, khoét, doa lỗ IV Máy khoan đứng $2A135$ ($6\text{ kW}$) Mũi khoan ruột gà $\varnothing18$, khoét $\varnothing19.8$, doa $\varnothing20$ $0,1 \div 9,0\text{ mm}$ $25 \div 62\text{ m/ph}$ $400 \div 1100\text{ v/p}$ $0,64\text{ phút}$
NC 6 & 7 Phay mặt trụ V và VIII Máy phay đứng $6H12$ Dao phay mặt đầu $D=75\text{ mm}$, $Z=10$ $0,5 \div 3,0\text{ mm}$ $70,6 \div 111\text{ m/ph}$ $300 \div 475\text{ v/p}$ $0,756\text{ phút}$
NC 8 Khoét, doa lỗ trụ VI Máy khoan cần $2A55$ ($4,5\text{ kW}$) Dao khoét thô/tinh $\varnothing48 - \varnothing49.7$, dao doa $\varnothing50$ $0,85 \div 2,0\text{ mm}$ $30 \div 32\text{ m/ph}$ $190 \div 225\text{ v/p}$ Tính theo bước

Chương 4: Thiết kế đồ gá

Chương 4 hoàn thiện thiết kế kết cấu và tính toán động học, lực kẹp cho hệ thống đồ gá chuyên dùng:

  • Hệ thống đồ gá cho máy vạn năng:
    • Đồ gá nguyên công phay mặt I và khoan doa 4 lỗ II (Đồ gá tổ hợp): Định vị 6 bậc tự do bằng 2 khối V ngắn tỳ vào mặt trụ ngoài V (4 bậc), 1 chốt tỳ bên cạnh (1 bậc), 1 khối trụ côn tỳ vào mặt trụ III (1 bậc). Cơ cấu kẹp ren truyền lực siết trực tiếp từ trên xuống.
    • Đồ gá các nguyên công tiếp theo (phay mặt IX, phay lỗ bậc, phay mặt trụ, khoan doa lỗ IV, khoét doa lỗ VI): Sử dụng chuẩn tinh thống nhất gồm mặt đáy I (định vị 3 bậc tự do bằng phiến tỳ phẳng), 1 chốt trụ ngắn khống chế 2 bậc tự do và 1 chốt trám khống chế 1 bậc tự do còn lại. Cơ cấu kẹp chặt sử dụng cơ cấu kẹp nhanh và cơ cấu kẹp liên động.
  • Đồ gá cho máy điều khiển số (CNC): Thiết kế đồ gá chuyên dùng dạng đĩa quay kết hợp hệ thống vấu kẹp tự lựa, tính toán lực kẹp siết đĩa quay và lực ép vấu kẹp nhằm triệt tiêu mô men lật và lực cắt phát sinh trong quá trình phay đa hướng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xác lập hoàn chỉnh bộ thông số công nghệ và tiến trình gia công chuẩn cho chi tiết gối đỡ dạng hộp với quy mô sản xuất hàng khối đạt $80.064\text{ sản phẩm/năm}$.
  • Hoàn thành đầy đủ hồ sơ thiết kế công nghệ và kết cấu đồ gá bao gồm:
    • 02 bản vẽ lắp tổng thể đồ gá khổ lớn A0 (thể hiện đầy đủ liên kết 2D và mô hình không gian 3D).
    • Tập bản vẽ chế tạo chi tiết đồ gá khổ A3.
    • Thuyết minh tính toán chi tiết toàn bộ các thông số động lực học, chế độ cắt và lực kẹp.
  • Chế tạo hoàn chỉnh 02 bộ đồ gá thực tế bằng vật liệu nhẹ (nhôm), bảo đảm độ chính xác lắp ghép và khả năng thao tác gá đặt linh hoạt.

Đóng góp cho công tác đào tạo

So với các tài liệu đồ gá dạng Atlat vốn chỉ cung cấp bản vẽ sơ đồ tĩnh hoặc thiếu các thông số chế tạo, công trình này đã:

  • Cung cấp một bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh từ khâu lập quy trình đến tính toán kết cấu đồ gá chi tiết, có thể làm tài liệu mẫu cho sinh viên thực hiện Đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy.
  • Đưa vào sử dụng 02 mô hình đồ gá trực quan bằng nhôm phục vụ giảng dạy lý thuyết và thực hành, giúp sinh viên trực tiếp quan sát cơ cấu kẹp liên động, khối V định vị, phiến tỳ và chốt định vị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do mục tiêu chính là chế tạo phương tiện dạy học phục vụ giảng dạy trực quan, hai bộ đồ gá thực tế được gia công bằng vật liệu nhôm thay vì gang đúc hay thép nhiệt luyện như trong sản xuất công nghiệp thực tế. Do đó, sản phẩm thực tế chưa được thử nghiệm cắt gọt chịu tải nặng trên dây chuyền sản xuất thật.
  • Hướng mở rộng:
    • Nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh đồ gá bằng vật liệu thép chuyên dùng ($C45$, $9XC$) có nhiệt luyện bề mặt làm việc để kiểm nghiệm độ cứng vững và độ bền mòn khi cắt gọt trực tiếp.
    • Lập trình gia công hoàn chỉnh trên phần mềm CAM và xuất mã G-code phục vụ gia công chi tiết gối đỡ trên các trung tâm gia công CNC thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị ứng dụng thiết thực đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn khi làm Đồ án Công nghệ chế tạo máy, Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành chế tạo máy, đặc biệt là phương pháp xác định chuẩn thô/chuẩn tinh cho chi tiết dạng hộp.
  • Giảng viên bộ môn Chế tạo máy: Sử dụng số liệu thuyết minh và 02 mô hình đồ gá thực tế làm giáo cụ trực quan trong các bài giảng về Đồ gá chuyên dùng, Chuỗi kích thước công nghệ và Thiết kế nguyên công.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết gối đỡ trong đề tài được xếp vào dạng sản xuất nào và căn cứ xác định là gì?

Chi tiết được xếp vào dạng sản xuất hàng khối. Căn cứ xác định dựa trên sản lượng tính toán thực tế hàng năm đạt $N = 80.064\text{ chiếc/năm}$ (tính toán từ kế hoạch sản xuất kết hợp tỷ lệ phế phẩm $\alpha = 3% \div 6%$ và dự trữ $\beta = 5% \div 7%$) cùng khối lượng chi tiết được mô phỏng chính xác trên phần mềm SolidWorks 2015.

2. Sơ đồ định vị chuẩn thô trong Nguyên công 1 (phay mặt I và khoan doa 4 lỗ II) được bố trí như thế nào?

Để bảo đảm tính đối xứng và vị trí tương quan cho chi tiết, nguyên công 1 sử dụng 6 bậc tự do định vị từ chuẩn thô: 4 bậc tự do ở mặt trụ ngoài V khống chế bằng 2 khối V ngắn, 1 bậc tự do ở mặt trụ ngoài III khống chế bằng khối trụ côn, và 1 bậc tự do ở mặt cạnh bên khống chế bằng chốt tỳ cố định.

3. Phương pháp tạo phôi và lượng dư gia công đúc được lựa chọn ra sao?

Phôi được chế tạo bằng phương pháp đúc trong khuôn cát mẫu gỗ với cấp chính xác đúc là cấp 2 (dung sai kích thước phôi đạt IT15 $\div$ IT16, độ nhám $Rz = 80,\mu\text{m}$). Lượng dư gia công cắt gọt được xác định theo bảng quy chuẩn: mặt đáy lấy $5\text{ mm}$, các mặt trụ ngoài lấy $4\text{ mm}$ và các mặt lỗ trong lấy $3\text{ mm}$.

4. Sự khác biệt cốt lõi giữa phương án gia công trên máy vạn năng và máy phay CNC 3 trục trong đồ án là gì?

Trên máy cơ khí vạn năng, quy trình được phân tán thành 8 nguyên công riêng lẻ trên nhiều máy khác nhau ($6940BM\Phi2, 6H12, 2A135, 2A55$), mỗi nguyên công có ít bước. Ngược lại, trên máy phay CNC 3 trục, mức độ tập trung nguyên công rất cao khi toàn bộ quá trình gia công được gộp lại chỉ trong 2 nguyên công (Nguyên công 1 gồm 4 bước và Nguyên công 2 gồm 12 bước), giúp giảm tối đa số lần gá đặt và nâng cao năng suất.

5. Hai bộ đồ gá thực tế được chế tạo từ vật liệu gì và nhằm mục đích sử dụng nào?

Hai bộ đồ gá thực tế được chế tạo bằng vật liệu nhôm (vật liệu nhẹ). Mục đích chính của sản phẩm là làm mô hình học cụ, phương tiện trực quan phục vụ công tác giảng dạy môn học Công nghệ chế tạo máy và hướng dẫn thực hành Đồ án môn học tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo đồ gá chuyên dùng cho chi tiết gối đỡ" đã giải quyết trọn vẹn và chuẩn xác các bài toán công nghệ từ tính toán phôi đúc, phân tích chuẩn định vị, thiết kế nguyên công gia công trên máy vạn năng và máy CNC, đến tính toán lực kẹp kết cấu đồ gá. Quy trình công nghệ được tối ưu hóa cho quy mô sản xuất hàng khối với các thông số cắt gọt, thời gian gia công và bản vẽ lắp 2D/3D rõ ràng, minh bạch. Điểm nổi bật mang tính thực tiễn cao của đề tài là việc hoàn thiện chế tạo 02 bộ đồ gá chuyên dùng bằng nhôm, tạo ra nguồn học cụ trực quan có giá trị phục vụ trực tiếp cho hoạt động đào tạo kỹ sư cơ khí tại nhà trường.